Цели моделирования и познания

Если вдуматься, моделирование возникло еще в глубокой древности. Первобытные люди изучали окружающую природу, чтоб выжить. Затем знания совершенствовались и появилась модель земного шара – глобус. В этих случаях можно говорить, что целью моделирования является познание окружающего мира. При дальнейшем накоплении знаний, человек начал задумываться над тем, как подчинить себе существующие явления или противостоять им. Были созданы модели еще не существующих объектов, например ветряных мельниц, различных механизмов и т. д. Здесь преследовалась цель – создания объектов с заданными свойствами. Сейчас с помощью моделирования часто ищут ответ на вопрос, что будет с тем или иным объектом, если определенным образом воздействовать на него. Здесь преследуется цель - определения последствий воздействия на объект и принятие правильного решения.

По приведенным примерам мы видим, что в любом случае, преследуется одна общая цель – возможность решения практических задач, с помощью полученных знаний, только эксперименты при этом проводят на модели, а не на объекте-оригинале. Если вернутся к главной цели процесса познания, мы увидим, что цели моделирования и познания очень похожи. Моделирование — метод научного познания объективного мира с помощью моделей.

Необходимо помнить, что процесс познания бесконечен, потому что чем больше мы знаем об объекте, тем лучше мы можем его познать. Та же ситуация и в моделировании: с помощью модели мы расширяем знания об объекте, а зная больше об объекте можем усовершенствовать модель для получения новых знаний.

Виды моделей

Разные науки изучают явления под разным углом зрения и строят модели. Этим объясняется большое разнообразие типов моделей. Например, если взять в качестве объекта человека, то с точки зрения механики его рассматривают как материальную точку, с точки зрения химии – как набор химических соединений, а для биологии – это система, стремящаяся к самосохранению. Также разные объекты могут быть описаны одной моделью. Например, в механике и планета и песчинка будут рассмотрены как материальные точки. Главное, что модели отражают наиболее существенные для поставленной задачи свойства изучаемых объектов.

Есть различные классификации моделей, которые ведутся по многим признакам. Можно рассмотреть одну из них, для понимания многообразия сфер использования моделирования.

Классификация моделей по области использования

Учебные модели – используют при обучении (тренажеры, наглядные пособия);

Опытные – это уменьшенные или увеличенные копии проектируемого объекта. Используют для исследования и прогнозирования его будущих характеристик. (Модель корабля, автомобиля).

Научно - технические - создаются для исследования процессов и явлений (прибор, имитирующий разряд молнии).

Игровые – репетируют поведения объекта в различных условиях (деловые, военные, спортивные игры).

Имитационные – отражают реальности в той или иной степени (испытание новых лекарств на животных).

Классификация моделей по фактору времени

Статические – модели, описывающие состояние системы в определенный момент времени (единовременный срез информации по данному объекту). Примеры моделей: классификация животных, строение молекул, список посаженных деревьев.

Динамические – модели, описывающие процессы изменения и развития системы (изменения объекта во времени). Примеры: описание движения тел, развития организмов, процесс химических реакций.

Классификация моделей по отрасли знаний

- математические,

- биологические,

- химические,

- социальные,

- экономические,

- исторические и т. д.

Классификация моделей по форме представления

Материальные – это предметные (физические) модели. Они всегда имеют реальное воплощение. Отражают внешнее свойство и внутреннее устройство исходных объектов, суть процессов и явлений объекта-оригинала. Это экспериментальный метод познания окружающей среды. Примеры: детские игрушки, скелет человека, чучело, макет солнечной системы, школьные пособия, физические и химические опыты.

Абстрактные (нематериальные) – не имеют реального воплощения. Их основу составляет информация. Это теоретический метод познания окружающей среды. По признаку реализации они бывают: мысленные и вербальные, информационные.

В инженерной практике объектами познания являются антропогенные, т.е. созданные человеком технические объекты. Их модели по форме представления можно разделить на физические и математические.

Физические модели имеют с объектом-оригиналом одинаковую или близкую физическую природу. Примером таких моделей являются натурные и масштабные модели летательных аппаратов, автомобилей и других технических объектов.

Математическая модель – это система математических соотношений, описывающая существенные свойства объекта-оригинала. Ярким примером математической модели являются законы физики, как модели основных явлений природы. Например, закон Архимеда гласит: на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости (или газа)(называемая силой Архимеда)

где — плотность жидкости (газа), — ускорение свободного падения, а — объём погружённого тела (или часть объёма тела, находящаяся ниже поверхности).

По сути, этот закон является математической моделью плавания всех тел.

Способы получения математических моделей объекта

Существуют следующие способы получения математических моделей объектов:

1. Аналитический – получение модели на основе комплекса отдельных математических моделей, составляющих моделируемый объект. Другими словами, составление математического описания процессов, протекающих в объекте, используя общие физические, химические формулы (законы).

Основное достоинство моделей, полученных таким способом – это их универсальность, т.е. возможность использовать данную модель для других объектов, в которых происходят те же процессы.

Недостаток аналитического метода в том, что процесс этот очень сложен, при описании приходится делать много допущений, значения многих коэффициентов заранее не известны, получаемую модель сложно использовать.

2. Экспериментальный метод – получение модели на основе результатов прямого изучения свойств объекта в ходе специально организованных натурных экспериментов с объектом.

3. Комбинированный метод – когда аналитически получают структуру модели, а затем, используя экспериментальные методы, находятся коэффициенты модели.

Получение модели объекта называется идентификацией. При изучении соответствующего курса вы будете сами получать модели объектов и больше познакомитесь со способами их получения.